什么是化学放大光刻胶？它能获得今年诺贝尔化学奖吗？

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现如今电子产品已经进入到我们日常生活的每一个角落，而这些电子设备之所以可以有效地工作，正是其中的芯片所起到的作用。英特尔的创始人之一戈登·摩尔提出了摩尔定律，就是在成本几乎不变的情况下，芯片上的晶体管数目，每隔1-2年便会增加一倍。也就是说，随着人类技术的发展，所制造出来的晶体管尺寸会越来越小，从而使得芯片上的晶体管数目指数级增加，这也是为何我们的电子设备会越来越强大。

在芯片技术的发展中，光刻机的研发应该是最耳熟能详的：通过降低使用光源的波长，就可以制造成更小尺寸的晶体管。最初的光源是来自于汞灯的436 nm的紫光（称作g-line），随后换成了汞灯365 nm的紫外光（i-line）。为了继续降低波长，后续又研发了用准分子激光作为光源的KrF光刻机（波长248 nm）。但是此时在光刻胶的曝光环节出现了一些问题。

为了能够更好地解释清楚光刻胶的问题，我先来简单介绍下光刻的步骤，下面以正性光刻胶为例。现在硅片上spin co 一层光刻胶，然后将紫外光通过光掩膜之后照射到光刻胶上，这样光刻胶上有的区域会被光所照射到，而有的区域则不会。经过光照之后的光刻胶就会发生光化学反应，从而形成性质不同的物质，之后在显影剂的作用下被除去，这样就成功地将光掩膜上的图案转移到光刻胶之上了。

在g-line和i-line的年代，紫外光的强度很强，所以很容易完全发生光化学反应。光刻胶通常由两种物质所组成，一种高分子构成了主体（不参与化学反应），而另一种光活性物质负责发生化学反应（而且浓度较高）。比如一种常用的光刻胶就是重氮萘醌(DNQ)与酚醛树脂的混合物，其中酚醛树脂是溶解抑制剂。当没有发生光化学反应时，重氮萘醌(DNQ)与酚醛树脂的混合物不会溶解在显影剂中。在光照的作用下，重氮萘醌(DNQ)将经历沃尔夫重排反应以形成烯酮，随后又从环境中吸水生成茚并羧酸，从而可以溶解于碱性的显影剂中被除去。

但是这样的DNQ光刻胶有一个要求，就是需要绝大多数的DNQ都发生光化学反应，而DNQ的浓度其实是比较高的。因此就需要入射的紫外光强度足够强——这对于g-line和i-line来说压根儿就不是个问题。

但是到了深紫外激光KrF以及后续的ArF、EUV来说，就是一个大问题了。首先这些深紫外和极紫外激光的输出功率远低于i-line，而且这些激光的输出成本要更高，而芯片制造中最重要的因素之一就是成本了。

为了 这一问题，C. Grant Willson和Jean M. J. Fréchet决定生产一种可以“化学放大”的光刻胶。与传统的光刻胶所不同，这里的两种物质分别具有如下的性质：

PAG（Photoacid Gener or）可以发生光化学反应的物质，具有较低的浓度——通常是经过光照后可以产生酸性物质

不溶于显影剂的高分子，但是可以被PAG所产生酸的催化之下，并在在加热的条件下发生化学反应转化成可以溶解于显影剂的物质——也就是被“化学放大”

比如下面就是一个例子：

先是 [Ph3S]+[CF3COO]− 在光照的条件下生成三氟代乙酸

然后在曝光后烘焙（PEB，Post Expos e Bake）步骤中，高分子在三氟乙酸的氢离子的催化之下，转化成可以溶解于碱性显影剂的物质

这样一来，只需要较低剂量的光照，就可以生成少量的氢离子。而在曝光后对于光刻胶进行烘焙，就可以利用这少量的氢离子来催化反应，从而达到与之前大量光照相同的效果。

正是因为化学放大光刻胶的发明，KrF光刻机（248 nm）和ArF光刻机（193 nm）才能正式得到应用，从而不断延续着摩尔定律，直到现在的3 nm甚至更先进的制程。现如今人工智能如此的先进，离不开先进制程芯片的帮助，而化学放大光刻胶正是其中关键的一环。因此，我希望化学放大光刻胶可以获得今年的诺贝尔化学奖。